进程与线程

进程与线程

一个进程（Process）是计算机中正在运行的程序的实例，它由以下核心组成部分构成：

  1. PCB（Process Control Block，进程控制块）
  • 进程ID（PID）、父进程ID（PPID）
  • 进程状态（运行、就绪、阻塞等）
  1. 代码段（Text Segment）
  2. 数据段（Data Segment）
  • 程序执行的实体。没有代码，进程无法运行；没有数据，代码无法处理信息。

PCB内主要有什么

  1. 进程标识信息：PID
  2. 进程状态信息：运行（Running）、就绪（Ready）、阻塞（Blocked）等
  3. CPU上下文信息（状态）：（进程被切换时，保存当前CPU状态以便恢复）PC、SP
  4. 等

进程的状态转换

  • 区分就绪态与阻塞态
  • 主动/被动的转换

进程的创建

  1. 分配PID与PCB

    • 操作系统为新进程分配唯一的进程ID（PID）和空的进程控制块（PCB）。
    • 例子：在终端输入 ls 命令时，Shell（父进程）调用 fork() 创建子进程，内核为其分配PCB。

  2. 分配资源

    • 子进程继承父进程的资源（如文件描述符、内存映射），或从操作系统申请新资源。
    • 例子：子进程通过 exec() 加载 ls 程序时，需申请内存存储代码和数据。

  3. 初始化PCB

    • 设置进程状态（就绪）、程序计数器（PC）、堆栈指针等。

  4. 加入就绪队列

    • 新进程被放入调度队列等待CPU分配。

进程终止

终止原因：

  • 正常终止：进程执行完毕（如 main() 返回）。
  • 异常终止：段错误（访问非法内存）、除零错误、被 kill 命令杀死。

终止步骤：

  1. 触发终止：exit()、信号、父进程终止
  2. 释放资源：内存、文件、锁、设备等
  3. 更新 PCB：状态改为 Zombie，记录退出状态
  4. 通知父进程：父进程 wait() 或由 init 接管
  5. 删除 PCB

进程阻塞与唤醒

1. 阻塞（主动行为）

  • 触发条件：进程主动调用阻塞操作（如 read() 等待I/O）。
  • 过程：
    1. 进程从运行态转为阻塞态，PCB加入等待队列。
    2. CPU调度其他就绪进程。

2. 唤醒（被动行为）

  • 触发条件：外部事件发生（如I/O完成、信号量释放）。
  • 过程：
    1. 内核将对应PCB从阻塞队列移到就绪队列。
    2. 进程重新等待调度。

例子：

  • 当磁盘I/O完成时，硬件触发中断，操作系统唤醒等待该I/O的进程。

易错点

  1. 阻塞是主动的，唤醒是被动的：

    • 阻塞是进程主动请求等待（如调用 sleep()），而唤醒依赖外部事件（如定时器中断）。

  2. 资源泄漏：

    • 终止进程时若未释放资源（如内存泄漏），会导致系统资源耗尽。

  3. 进程调度负责分配CPU资源，而非进程创建
    进程调度（Process Scheduling）是操作系统内核的核心功能之一，负责从多个就绪（Ready）的进程中选择一个进程分配CPU资源，并控制进程状态的切换。其本质是解决CPU资源的分配问题，确保系统高效、公平地运行多个程序。

进程之间的通信

  1. 共享存储：原理：多个进程访问同一块内存区域，直接读写数据，速度最快（无需内核介入）。
  2. 消息传递：原理：进程通过发送/接收消息（数据包（HTTP））通信，由内核中转。
  3. 管道通信：管道是一种特殊的文件：又称pipe文件。管道不满即可发、管道不空即可收

如何理解“进程获得处理器运行是通过调度得到的”？

这句话的核心含义是：在操作系统中，进程不能直接占用 CPU，而是必须由操作系统的调度程序（Scheduler）决定哪个进程可以运行、何时运行以及运行多久。

并发程序的执行速度与调度策略的关系

并发程序的执行速度并非单纯由CPU性能决定，调度策略的合理配置（如时间片（短时间片提高响应速度，长时间片提高吞吐量。）、算法选择（FCFS适合长任务，RR适合交互式任务。））同样关键

高级调度

高级调度的核心功能是 将作业从磁盘加载到内存并创建进程，因此 一定会导致新进程创建

为什么分时操作系统中，就绪态的任务最多？

分时操作系统的主要目标是：公平共享CPU时间（每个任务轮流执行一小段时间）。

实时操作系统阻塞态任务最多

因为：

  1. 任务多为事件/周期驱动，大部分时间在等待触发条件。
  2. 高优先级任务抢占CPU，低优先级任务长期阻塞。
  3. 资源同步机制（如锁、信号量）强制任务阻塞等待。

线程

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进程-资源分配的基本单位
线程-现代OS中CPU调度和分派的最小单位

系统线程 vs 用户线程

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  • 用系统线程：
    需要真并发（如视频编码、科学计算）。
    线程可能频繁阻塞（如网络服务）。

  • 用用户线程：
    轻量级任务（如快速切换的小任务）。
    语言或环境限制（如Python的GIL）。